硅光，是光通信領域的一個熱門概念，包括英偉達、英特爾、思科等在內(nèi)的眾多科技巨頭，都在力推硅光技術。行業(yè)也普遍認為，硅光將是光通信的未來。

那么，到底什么是硅光？為什么要發(fā)展硅光？硅光又是如何工作的呢？

什么是硅光？

在介紹硅光之前，先來看一個傳統(tǒng)的光通信基礎架構模型：

這個模型應該簡單易懂。兩臺網(wǎng)絡設備，都有各自的光模塊，光模塊是一個“光電轉換器”，可以實現(xiàn)電信號和光信號之間的轉換。光模塊和光模塊之間是光纖，傳輸光信號。

光信號到達設備后，通過光模塊轉換成電信號，再通過設備內(nèi)部的電通道，傳輸?shù)浇粨Q芯片，再進行數(shù)據(jù)處理。

SerDes是這個電通道的關鍵部分，它是英文SERializer（串行器）/DESerializer（解串器）的簡稱，可以將它理解為一個“串行并行轉換器+通道”，如下圖所示：

眾所周知，光通信的速率高、能耗低、成本低、更抗干擾，能力遠遠強于采用銅介質的電通信。

如果想要實現(xiàn)整個通信系統(tǒng)的能力提升，就應該把所有的數(shù)據(jù)傳輸通道，都改為光通道。

這就有兩個執(zhí)行思路：

一是光模塊盡可能靠近交換芯片，縮短電通道的距離：

事實上，SerDes確實一直都是通信瓶頸。以前通信設備的帶寬不高，SerDes勉強夠用。現(xiàn)在，AI浪潮洶涌澎湃，算力集群網(wǎng)絡接口動輒要求400G、800G甚至1.6T的帶寬。這對電通道來說，是巨大的挑戰(zhàn)。

事實上，電通道已經(jīng)力不從心。電通信的損耗大，SerDes通道的距離稍微長一點，信號就大幅衰減了，速率驟降。

二是，更進一步，既然想讓光模塊盡可能靠近交換芯片，那么，是否可以將光模塊和交換芯片做成“一個芯片”呢？

這就是將網(wǎng)絡交換芯片和光引擎（光模塊）進行“共同封裝”的技術，就是現(xiàn)在光通信領域非?；鸬腃PO（Co-packaged optics，共封裝光學）技術。

CPO技術的背后，這種“將多種光器件集成在一個硅基襯底上”的技術思想，就是硅基光電子，也叫——“硅光（silicon photonics）”。

更簡單來說，計算機中的CPU、GPU，還有手機里的SoC，基本上都是基于硅材料打造的半導體芯片，是集成電路。

而硅光，是將硅半導體工藝與光通信技術相結合，在硅片上制造、集成光器件，實現(xiàn)光信號的傳輸和處理，變成了“集成光路”。

硅光光模塊的架構和原理

接下來，通過硅光光模塊和傳統(tǒng)光模塊的對比，來看看硅光的技術細節(jié)。

光模塊的主要作用是發(fā)光和收光。傳統(tǒng)光模塊包含了多個組件，包括激光器（光源）、調制器、探測器等有源器件，以及透鏡、對準組件、光纖端面等無源器件。

在制造傳統(tǒng)光模塊時，需要先單獨制造這些器件，然后組裝起來，變成一個完整的光模塊。這個過程，可以稱之為“分立器件封裝”。

傳統(tǒng)光模塊里既有電芯片，也有光芯片。

有的電芯片負責對光芯片提供配套支撐，如LD（激光驅動器）、TIA（跨阻放大器）、CDR（時鐘和數(shù)據(jù)恢復電路），也有負責電信號的功率調節(jié)，如MA（主放大器）。另外，還有復雜的數(shù)字信號處理（DSP）芯片。

光芯片主要負責光電信號的轉換，例如激光器芯片和探測器芯片。

電芯片，主要是基于硅基材料。光芯片，主要是基于III-V族半導體材料，即InP（磷化銦）/GaAs（砷化鎵）等。

III-V族化合物InP（磷化銦）、GaAs（砷化鎵）屬于第二代半導體，具有高頻、高低溫性能好、抗輻射能力強、光電轉換效率高等優(yōu)點，所以很適合作為光芯片的襯底材料。

激光器有很多種類型，不同的類型，使用的半導體材料不一樣?？梢詤⒖枷卤恚?/p>

再來看看硅光光模塊。

硅光光模塊，采用CMOS制造工藝，直接在硅基（Si）材料上制造調制器、探測器以及無源光學器件，集成度明顯高于傳統(tǒng)光模塊。

硅光光模塊的內(nèi)部構造（來源：Intel）

放大來看：

來源：Intel

硅光光模塊和傳統(tǒng)光模塊在功能上，其實類似。都是如下圖所示的架構：

來源：《400G FR4硅光收發(fā)模塊的研究》（宋澤國等）

無非是硅光光模塊，把所有的器件都進行了集成，變得更加緊湊：

400G硅光光模塊架構（來源：Intel）

來源：imec

下圖就是一個硅光光模塊的封裝構造示意圖：

接下來，來看一下各個部分的具體實現(xiàn)。

激光器

光模塊，發(fā)光是第一步。而發(fā)光，主要靠激光器。

有意思的是，激光器是硅光最大的短板。

硅是間接帶隙半導體，本身就不適合發(fā)光（電子和空穴復合時釋放光子的效率較低）。所以，在制作硅光光模塊的時候，通常不會直接在硅芯片上制造激光器，而是將傳統(tǒng)光器件里InP、GaAs等III-V族半導體材料做成激光器，然后“外掛”到硅基芯片上。外掛的方法，包括異質集成和外延生長（單片集成）等。

目前業(yè)界傾向于采用CW（ContinuousWave，連續(xù)波）激光器芯片作為外置光源。這種激光器擁有穩(wěn)定的工作狀態(tài)，可發(fā)出連續(xù)激光，具有相干性好、可靠性高、波長可調諧、使用壽命長等優(yōu)勢。

調制器

有了光，還需要進行調制，讓它可以表達更多的“0和1”。調制之后，光信號帶寬得以提升，才能夠支持更高的速率。

在硅基電光調制器中，應用最廣的調制機制是等離子色散效應：通過施加電壓，改變硅材料中的載流子濃度，從而改變折射率和吸收系數(shù)，進而控制光信號的強度或相位。

硅光器件的示意圖

常見的基于等離子色散效應的調制器方案包括馬赫-曾德爾調制器（Mach-Zehnder Modulator，MZM）和微環(huán)諧振腔調制器（Micro-ring Resonator，MRR）。

馬赫-曾德爾調制器和微環(huán)調制器

馬赫-曾德爾調制器和微環(huán)調制器

微環(huán)諧振器是一個由波導曲項制成的閉環(huán)光波導結構，其諧振波長與制作材料、結構特性、是否注入電荷或改變溫度有關。目前，微環(huán)諧振器憑借尺寸緊湊（僅幾十微米）的優(yōu)勢成為高速調制的優(yōu)選。

值得一提的是，硅基調制器在帶寬、驅動電壓等關鍵性能指標上，仍不及傳統(tǒng)調制器。在超高速率（如1.6T及以上）傳輸場景中，硅基調制器的信號穩(wěn)定性需進一步提升。

波導

波導（waveguide），是引導光波在其中傳播的介質裝置，可以理解為光傳輸?shù)摹案咚俟贰薄９饫w，就是一種波導。

在硅光光模塊的芯片上，需要在器件之間實現(xiàn)光信號的傳遞。這個肯定不能用光纖飛線。所以，會在硅材料上，“挖”出一些通道。

具體來說，就是基于刻蝕等工藝，利用硅與二氧化硅的折射率差異（硅3.45 vs 二氧化硅1.45），構建微米級的傳輸通道（光波導），讓光信號以全內(nèi)反射的方式，在通道里傳播。

硅波導結構

硅光光模塊里的波導，傳輸損耗極低（小于0.1dB/cm），而且占用體積非常小。硅基材料具有高折射率、高光學限制能力的天然優(yōu)勢，可將光波導寬度和彎曲半徑分別縮減至約0.4微米和2微米。

不同材料的波導彎曲半徑對比

探測器

光探測器就是接收光信號，將光信號轉換為電信號。

硅光光模塊通常采用鍺（Ge）材料與硅波導集成，利用光電效應實現(xiàn)高效率探測，響應速度可達皮秒級。

復用器與解復用器

WDM波分復用，需要將多個波合成一個波，然后傳送出去。解復用，就是反過來。

有了復用和解復用，才能支持多波長并行傳輸，提升數(shù)十倍的通信帶寬。

在硅光光模塊里，常見的（解）復用器的類型有：陣列波導光柵（AWG）、級聯(lián)馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）型濾波器、微環(huán)諧振腔（MRR）型濾波器、階梯衍射光柵（EDG）和波導光柵等。

光信號的耦合

將內(nèi)部波導與光纖接起來，就是耦合。

耦合會引入插損（插入損耗，Insertion Loss），需要將插損控制在1dB以下。

傳統(tǒng)的光模塊采用自由空間的設計方式，對于封裝耦合的精度要求較低，通常采用人工或半自動耦合的方式。

硅光光模塊的集成度高，耦合對準的難度很大，微小偏差就會導致較大的插損。因此，必須采用高精度的自動耦合封裝設備，確保封裝精度、良率和效率。

這塊也算是硅光的一個痛點，當前的耦合方案在效率與成本方面仍需進一步優(yōu)化。

硅光光模塊的優(yōu)點

相比傳統(tǒng)光模塊，硅光光模塊的核心優(yōu)勢在于其高集成度、低成本潛力、更低的功耗，以及可以復用的產(chǎn)業(yè)鏈。

集成度方面：硅光光模塊將波導、調制器、探測器等器件單片集成在單一硅芯片上，組件數(shù)量和體積顯著減少，體積縮小約30%。這可以提高設備的端口密度，有利于更加密集、規(guī)模更龐大的組網(wǎng)，有利于AI算力集群這樣的高密度部署場景。

成本方面：傳統(tǒng)光模塊依賴昂貴的III-V族材料（InP、GaAs）襯底。硅光主要采用成本較低的硅基材料（硅襯底的價格大約是InP襯底的二十分之一）。成本差距大。

功耗方面：傳統(tǒng)光模塊采用分立器件，器件之間的連接損耗較大，通常需要TEC（半導體制冷器）進行溫度控制，功耗較高（例如800G模塊功耗可能超過18W）。

硅光光模塊實現(xiàn)了高密度集成，減少了連接損耗，且對溫度敏感性較低，通常無需TEC，功耗顯著降低（約降低40%，800G模塊功耗可控制在14W左右）。

對于現(xiàn)在數(shù)量規(guī)模龐大的智算中心來說，低功耗這個優(yōu)點非常重要，可以省電、省錢，也有利于雙碳戰(zhàn)略。

需要注意的是，硅光也不是完全沒有熱管理的問題。因為集成度太高，硅光光模塊也容易產(chǎn)生熱串擾，影響光信號。這對工藝和設計提出了更高的要求。

產(chǎn)業(yè)鏈方面：硅光模塊可使用目前較為成熟的CMOS集成電路產(chǎn)業(yè)。硅光工藝流程中的設計方法、工具、流程、工藝平臺等方面，都參考和借鑒了已有的硅半導體相關技術。

硅光技術對先進制程也沒有那么依賴。電芯片現(xiàn)在都在追求個位數(shù)納米制程，而硅光芯片通常使用百納米級工藝就能滿足需求。

這使得硅光產(chǎn)業(yè)鏈能夠迅速起步，有利于大規(guī)模、標準化生產(chǎn)，可以大幅降低成本。而且，硅光人才培養(yǎng)的難度也小了很多。

有數(shù)據(jù)顯示，硅光的封裝成本占自身總成本的90%，還有很大的成本下降空間。

帶有倒裝InP激光二極管的硅光子晶圓。

來源：imec

需要注意，雖然硅光產(chǎn)業(yè)鏈可以復用，但目前也存在產(chǎn)業(yè)標準化不足的問題。各廠商的封裝接口與驅動協(xié)議尚未統(tǒng)一，對成本有一定的影響，也阻礙了規(guī)模量產(chǎn)。

硅光的應用場景

硅光目前有四個比較主流的應用方向，分別是光通信、激光雷達、光計算和生物傳感。

光通信

我們前面討論的，基本上都是光通信。這是硅光最主要、落地最快的應用領域。背后的原因，還是因為AI的爆發(fā)。

在AI算力集群的帶動下，光模塊已經(jīng)進入800G放量時代，并逐漸向1.6T發(fā)展。

面對這個級別的連接速率，傳統(tǒng)可插拔光模塊方案在性能和功耗方面都無法很好地滿足需求。硅光以及LPO、CPO等技術方案，呼聲極高。

CPO交換機（銳捷）

業(yè)界估計，硅光在800G模塊占比35%-40%，1.6T模塊中占比80%。對于超高速場景，硅光將是主流方案。

根據(jù)LightCounting的預測，2025年硅光模塊市場規(guī)模將超60億美元，年增長率超40%。國際半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SEMI）預測，2030年全球硅光市場規(guī)模預計將達到78.6億美元，年復合增長率25.7%。

激光雷達

硅光技術非常適合制造低成本、小尺寸、高穩(wěn)定性的芯片級固態(tài)激光雷達 （LiDAR），用于自動駕駛、工業(yè)自動化等領域。

現(xiàn)在很多車企都在推自動駕駛、輔助駕駛，車上會用到很多激光雷達，這帶動了對硅光的需求。

業(yè)界采用基于硅光的二維光學相控陣（OPA）技術，可以使固態(tài)LiDAR體積縮小至硬幣大小，成本降至百美元級。

用于固態(tài)激光雷達的硅光子測試芯片。

來源：imec

光計算

計算和通信有緊密的聯(lián)系。我們前面一直在說要把端到端的通信鏈路都全光化。但實際上，“端（終端、云端、算力端）”本身，也應該“由電轉光”。

在光計算方面，硅光技術已經(jīng)展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。光計算具有天然的并行處理能力和超低延遲特性，特別適合矩陣運算等AI核心算法。

最近這幾年，研究人員已成功演示了基于硅光芯片的神經(jīng)網(wǎng)絡加速器，其能效比傳統(tǒng)電子芯片高出數(shù)個數(shù)量級。

目前，全光計算仍處于研究階段。但可以預見，光電混合計算架構將有廣闊的發(fā)展前景。

生物傳感

生物傳感是硅光技術的一個新興應用方向。

硅光芯片可以制作高靈敏度的生物傳感器，通過檢測樣品折射率的微小變化來實現(xiàn)分子識別。這種傳感器具有體積小、成本低、可批量生產(chǎn)的優(yōu)勢，有望推動便攜式醫(yī)療診斷設備的發(fā)展。

例如芯片級光譜儀、快速血液檢測系統(tǒng)等，都可以借助硅光來研發(fā)，可以實現(xiàn)高靈敏度、便攜式、低成本檢測。

此外，硅光技術還可用于環(huán)境監(jiān)測、食品安全等領域，實現(xiàn)多種化學物質的快速檢測。

結語

目前，硅光產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展的階段。一方面，科技巨頭（如英特爾、英偉達、思科、IBM等）在積極進行布局，投入大量資源進行技術研發(fā)和產(chǎn)線建設。另一方面，相關的企業(yè)并購與產(chǎn)業(yè)鏈整合也在加速，競爭日趨激烈。

國內(nèi)在硅光這塊起步比較晚，但追趕速度很快。比較有代表性的企業(yè)包括：中際旭創(chuàng)、熹聯(lián)光芯、華工科技、新易盛、光迅科技、博創(chuàng)科技、華為、亨通光電等。凡是行業(yè)核心企業(yè)，基本上都在硅光上有所布局。

總而言之，光電融合是大勢所趨。隨著時間的推移，硅光目前所面臨的挑戰(zhàn)，終將被解決。在通信、計算和傳感領域，硅光具有非常廣闊的應用前景，也很可能會掀起新一輪的信息技術革命浪潮。